粉煤灰与聚合物水泥防水涂料对混凝土抗氯离子侵蚀性能的影响

0 引言
氯离子侵蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的主要因素之一[1]。氯离子渗入到混凝土保护层中,并在钢筋表面累积,当钢筋表面氯离子达到一定的浓度后,钢筋开始发生锈蚀,锈蚀产物产生体积膨胀,引起混凝土产生顺筋胀裂、层裂和剥落破坏,破坏后的混凝土又加速了氯离子的渗入,钢筋发生进一步的锈蚀,形成恶性循环,从而严重影响结构物使用功能及使用寿命。提高混凝土的抗渗性能可以有效地防止钢筋锈蚀。从混凝土本体出发,混凝土的渗透性与其密实度及孔隙特征密切相关。由于降低水灰比和掺加高效减水剂的办法对提高混凝土抗氯离子渗透性能的作用有限,而矿物掺合料可以有效地细化混凝土孔隙结构、改善界面区和增加混凝土密实度,大幅度地改善混凝土的抗氯离子渗透性能,是目前提高混凝土抗氯离子侵蚀性能的有效措施之一[2]。另外,氯环境中应用表面涂层简单易行,成本低廉,并且能够有效阻隔氯离子的渗入,还可明显减少氧气、水分、二氧化碳等有害介质渗入混凝土中,从而降低钢筋的腐蚀速度。近年来混凝土表面涂层材料如环氧涂层、有机硅和聚合物水泥基防水涂料等在重大防腐蚀工程中得到广泛应用。本文采用ASTM C 1202—97[3]的电通量法,试验研究了不同掺量的Ⅰ级粉煤灰、表面刷涂聚合物水泥防水涂料以及2种方法结合对混凝土抗氯离子渗透性能的影响,并对粉煤灰改善混凝土抗氯离子渗透性能的作用机理作了分析。

1 试验
1.1 原材料
(1)粉煤灰:Ⅰ级粉煤灰(FA),勃氏比表面积440 m2/kg,化学成分见表1。

(2)聚合物水泥防水涂料(JS 防水涂料):由液体组分和固体组分组成的双组分水乳型防水涂料,其中液体组分主要是丙烯酸酯乳液(PAM),采用上海三瑞公司的Vivid-402 丙烯酸弹性聚合物乳液,乳白色液体,固含量(55.0±1.0)%,pH值为7.0~8.0,密度1.04~1.05 g/cm3,黏度小于4000 mPa·s,玻璃化温度Tg 为-15 ℃,并添加有各种助剂。固体组分是以水泥为主要成分的无机粉料。JS 防水涂料配方见表2。

(3)水泥(C):安徽宁国水泥厂生产的海螺牌P·O42.5 水泥,勃氏比表面积350 m2/kg,细度1.4%,安定性合格。水泥的主要物理化学性能见表3。

(4)砂:河砂,细度模数为2.7 的中砂,密度2.65 g/cm3,含泥量1.5%。
(5)粗骨料:选用质地坚硬、表面粗糙、级配良好的碎石,粒径为5~25 mm,含泥量小于0.2%,表观密度2.7 g/cm3。
(6)外加剂:上海三瑞公司Vivid-500 聚羧酸盐高效减水剂,减水率大于25%。
(7)水:自来水。
1.2 试验方案
试验采用固定原拌混凝土的砂率为40%、水胶比为0.4,通过调整减水剂的掺量控制混凝土的坍落度,对比试验研究掺量分别为20%、40%和60%时单掺粉煤灰对混凝土抗氯离子渗透性能的影响,另外,取空白混凝土和粉煤灰掺量为40%的混凝土(3-2 号),在表面分别刷聚合物水泥防水涂料,对比试验研究掺粉煤灰与表面刷聚合物水泥防水涂料及其共同作用对混凝土抗氯离子渗透性能的影响。混凝土的配合比设计见表4。
表4 试验方案设计

1.3 试验方法
(1)试块制备及养护方法
用强制式搅拌机搅拌,混凝土试块尺寸为Ф100 mm ×50mm,标准养护至规定龄期,用于涂聚合物水泥基防水涂料的试块养护21 d,其余均养护28 d。
(2)聚合物水泥防水涂料涂层方法
在涂防水涂料之前,要对试件表面进行修补和处理。清理试件表面后要保证试件表面无明水方可进行涂覆。将乳液和粉料按1∶2 的质量比混合均匀后,分多次涂于试件成型面,使涂膜厚度为1~2 mm。涂覆防水涂料后,在标准条件下继续养护至28 d,用于渗透性试验。
(3)混凝土抗氯离子渗透性测试方法
按ASTM C 1202—97[3]采用直流电通量法,试验装置见图1。该方法是将标养至龄期的混凝土试块进行真空饱水,侧面密封并安装到测量池中,两端置铜网电极,成型面浸入3%的NaCl 溶液(负极),另一端面浸入0.3 mol/L 的NaOH 溶液(正极),测量60 V 电压下6 h 内通过试件的电通量。

图1 电通量试验装置

1.4 混凝土渗透性评价标准
混凝土的渗透性能可根据电通量的高低进行评判,电通量越低,混凝土的渗透等级越低,混凝土的抗氯离子渗透性能越好。混凝土的渗透性能评价标准见表5。
表5 电通量与混凝土渗透性能的关系[4]

2 试验结果及分析
2.1 粉煤灰掺量对混凝土抗氯离子渗透性能的影响
单掺粉煤灰,掺量分别为20%、40%和60%的混凝土6 h电通量的试验结果见图2。

图2 不同掺量粉煤灰混凝土的电通量
由图2 可知,空白混凝土试件的6 h 电通量为2291 C,分别掺入20%、40%和60%粉煤灰的混凝土的6 h 电通量分别为2012 C、1324 C 和1241 C。对比空白试样,掺量为20%时,混凝土电通量降低幅度仅为12%、渗透等级仍为“中”;掺量增加到40%时,电通量值大幅度下降至空白试样的58%,混凝土的渗透等级也从“中”降为“低”;继续增大掺量到60%,电通量值变化不大,下降至空白试样的54%,混凝土的渗透等级仍为“低”。
综上所述,掺入粉煤灰可大幅度提高混凝土的抗氯离子渗透能力,随着粉煤灰掺量的增大,混凝土的抗氯离子渗透性能逐渐提高,掺入适量的粉煤灰,是改善混凝土抗氯离子渗透性能的有效方法之一。
2.2 粉煤灰改善混凝土抗氯离子渗透性能的作用机理分析
混凝土的渗透性能由2 个基本因素决定,一是混凝土对氯离子渗透的扩散阻碍能力;二是混凝土对氯离子的物理或化学结合能力,即固化能力[5]。混凝土对氯离子渗透的扩散阻碍能力主要受制于混凝土的孔隙率及孔径分布。有研究表明[6],水化产物Ca(OH)2 由于晶体粗大、稳定性极差、很容易遭到氯盐等腐蚀介质侵蚀,是影响混凝土耐久性的重要因素。粉煤灰掺入后发挥其火山灰效应,与Ca(OH)2 发生二次水化反应,使Ca(OH)2 的生成数量减少,并改善其在水泥石-集料界面过渡区上的富集与定向排列,从而优化了界面结构,同时生成了数量更多的具有更高强度、更高稳定性的低碱度水化硅酸钙凝胶。水化产物的改善以及粉煤灰的填充效应,使水泥石和界面结构更加致密,大大降低了混凝土的孔隙率,减少了孔径尺寸,阻断了渗透通路“贯通孔(水泥石中的贯通孔、集料中的贯通孔、水泥石和集料界面的贯通孔是氯离子渗透的3 个主要途径。)”的形成,从而提高了混凝土对氯离子渗透扩散的阻碍能力。氯离子在混凝土中以3 种方式存在:化学结合(氯离子和C3A 生成Friedel 盐[6)] ,物理吸附(氯离子被C-S-H 凝胶所吸附) 和游离形式。混凝土对氯离子的固化能力既影响渗透速率,又影响水中自由氯离子的结合速率。由于粉煤灰本身较强的初始固化能力,二次水化反应产物C-S-H 凝胶具有非常大的比表面积,对氯离子也有较强的物理吸附能力,另外,粉煤灰中较高含量的无定形Al2O3 与氯离子反应生成Friedel 盐。故改善了混凝土对氯离子的固化吸附能力。
综上所述,粉煤灰不仅可以增大混凝土内部结构的密实度以降低氯离子的渗透速率,同时改善了混凝土对氯离子的固化能力,从而提高了混凝土的抗氯离子侵蚀能力。
2.3 聚合物水泥防水涂料对混凝土抗氯离子渗透性能的影响
经试验,表面刷涂聚合物水泥基防水涂料混凝土试件的6 h 电通量为685 C,相比空白混凝土试件的6 h 电通量2291 C,聚合物水泥防水涂料可使混凝土的电通量降至30%,渗透等级降至“极低”。
由此可见,在混凝土表层刷涂聚合物水泥防水涂料,可大大提高其抗氯离子渗透能力,是改善混凝土抗氯离子渗透性能的有效方法之一。
2.4 粉煤灰和聚合物水泥防水涂料共同作用对混凝土抗氯离子渗透性能的影响
试验选取粉煤灰掺量为40%的混凝土,在其表面刷涂聚合物水泥防水涂料,研究两者共同作用对混凝土电通量的影响。试验结果表明,掺加粉煤灰和表面刷涂聚合物水泥防水涂料后混凝土的电通量为372 C,相比空白混凝土的电通量2291 C,两者共同作用的混凝土电通量降至空白混凝土的16%,渗透等级降为“极低”;且两者共同作用的混凝土电通量远低于单掺40%粉煤灰混凝土(1324 C)或单独刷涂聚合物水泥防水涂料混凝土(685 C)。
综上所述,采取掺加粉煤灰和表面刷涂聚合物水泥防水涂料两者结合的方式可使混凝土的抗氯离子渗透性能大大提高,且优于单一方式。

3 结语
(1)单掺粉煤灰可以显著提高混凝土的抗氯离子渗透能力,渗透等级可由“中”降至“低”或“极低”,改善效果随着掺量的增大而提高,特别是掺量大于40%时,改善效果更加明显。
(2)对粉煤灰改善混凝土的抗氯离子渗透性能的作用机理分析表明,粉煤灰主要通过填充效应、火山灰效应和对氯离子的初始固化吸附能力,改善混凝土的内部孔隙结构、增加密实度和优化水化产物,从而增强混凝土对氯离子的扩散阻碍能力和物理化学吸附固化能力,提高混凝土的抗氯离子渗透性能。
(3)表面刷涂聚合物水泥防水涂料对提高混凝土的抗氯离子渗透性能有显著的作用。
(4)掺入粉煤灰与涂覆聚合物水泥防水涂料共同作用对混凝土的抗氯离子渗透性能的提高效果优于各自单独使用。

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